Signalflussgraph

Ein Signalflussgraph ist eine Darstellung der Signalverarbeitung in einem System durch einen gerichteten, gewichteten Graphen. Die Knoten dieses Graphen sind dabei kleine Bearbeitungseinheiten, die die eingehenden Signale in einer bestimmten Form verarbeiten und das Ergebnis dann an alle ausgehenden Kanten senden.

Vom Signalflussplan unterscheiden sie sich durch die Bedeutung der Knoten und Kanten.

Begriffe

Bild 1: Beispiel Signalflussgraph

Signalflussgraphen sind formal definiert. Deshalb zunächst einige Begriffsdefinitionen.

• Ein Pfad ist eine zusammenhängende Folge von Verbindungen (Kanten) zwischen Knoten in einer Richtung. Im Beispiel ist (X3→X4→X5) ein Pfad.
• Ein Eingangsknoten hat nur ausgehende Pfade. X1 ist Eingangsknoten.
• Ein Ausgangsknoten hat nur eingehende Pfade. X6 ist Ausgangsknoten.
• Ein Vorwärtspfad führt in Richtung Ausgangsknoten. (X2→X3→X4) und (X3→X7→X6) sind Vorwärtspfade.
• Ein Rückwärtspfad führt in Richtung Eingangsknoten. (X5→X8→X2) ist ein Rückwärtspfad.
• Eine Rückkopplungsschleife liegt vor, wenn Anfangsknoten und Endknoten gleich sind. (X2→X3→X4→X5→X8→X2) ist eine Rückkopplungsschleife.
• Eine selbstbezogene Schleife ist ein Pfad der von einem Knoten direkt wieder zum gleichen Knoten führt, ohne über andere Knoten zu führen.

Bild 1 zeigt einen allgemeinen gerichteten, gewichteten Graphen im mathematischen Sinn. Zum Signalflussgraphen wird er erst durch folgende Vereinbarungen:

• Ein Knoten stellt ein Signal dar.
• Eine Kante stellt über ihr Gewicht die Verarbeitung des Signals dar. Sie erzeugt also ein neues Signal.

Weiterhin gilt:

• $Y,X_{1},X_{2}\,$ sind statische Signale.
• $y(t),x_{1}(t),x_{2}(t)\,$ sind kontinuierliche Signale.
• $Y(s),X_{1}(s),X_{2}(s)\,$ sind deren Laplace-Transformierte.
• $y(n),x_{1}(n),x_{2}(n)\,$ sind diskrete Signale.
• $Y(z),X_{1}(z),X_{2}(z)\,$ sind deren Z-Transformierte.

• $G,G_{1},G_{2}\,$ sind Übertragungsfaktoren.
• $G(t),G_{1}(t),G_{2}(t)\,$ sind kontinuierliche Impulsantwortfunktionen.
• $G(s),G_{1}(s),G_{2}(s)\,$ sind kontinuierliche Übertragungsfunktionen.
• $G(n),G_{1}(n),G_{2}(n)\,$ sind diskrete Impulsantwortfunktionen.
• $G(z),G_{1}(z),G_{2}(z)\,$ sind diskrete Übertragungsfunktionen.

Elemente eines Signalflussgraphen

Die Addition erfolgt im Zielknoten.

Datei:SFG Addition.png

$Y=X_{1}+X_{2}\,$ $y(t)=x_{1}(t)+x_{2}(t)\,$ $Y(s)=X_{1}(s)+X_{2}(s)\,$ $y(n)=x_{1}(n)+x_{2}(n)\,$ $Y(z)=X_{1}(z)+X_{2}(z)\,$

Die Multiplikation mit einer Konstanten wird unter anderem für die Verarbeitung der Koeffizienten einer Differenzialgleichung verwendet.

Datei:SFG KonstMult.png

$Y=a\cdot X$ $y(t)=a\cdot x(t)$ $Y(s)=a\cdot X(s)$ $y(n)=a\cdot x(n)$ $Y(z)=a\cdot X(z)$

Die Faltung ist ein allgemeines Übertragungsglied.

Datei:SFG Faltung.png

$y(t)=\int _{0}^{t}G(t-\tau )\cdot x(\tau )d\tau$ $Y(s)=G(s)\cdot X(s)$ $y(n)=\sum _{i=0}^{n}G(n-i)\cdot x(i)$ $Y(z)=G(z)\cdot X(z)\,$

Den Integrator gibt es nur in zeitlich kontinuierlichen Systemen.

Datei:SFG Integrator.png

$y(t)=\int _{0}^{t}x(\tau )d\tau$ $Y(s)={\frac {1}{s}}X(s)$

Das Verzögerungsglied gibt es nur in zeitlich diskreten Systemen.

Datei:SFG Verzoegerung.png

$y(n)=x(n-1)\,$ $Y(z)=z^{-1}\cdot X(z)$

Grundschaltungen

Für Signalflussgrafen gelten gleiche Regeln wie für Signalflusspläne. Der einzige Unterschied ist die grafische Darstellung. Auf eine Darstellung der Beziehungen im Zeitbereich wurde hier verzichtet, da diese zu unübersichtlich sind. Die Verhältnisse sind im Bildbereich wesentlich einfacher. Mit den Grundschaltungen können komplexe Signalflussgraphen umgeformt, und damit vereinfacht, werden.

Reihenschaltung

Datei:SFG Reihe.png

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Parallelschaltung

Datei:SFG Parallel.png

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Rückkopplung

Datei:SFG Rueckkopplung.png

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Erstellen von Signalflussgraphen

Aus der Differentialgleichung

Datei:SFG Dlg4.png

Differentialgleichung 4. Ordnung

Gegeben sei die gewöhnliche, lineare, inhomogene Differenzialgleichung mit konstanten Koeffizienten 4. Ordnung

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \frac{d^4\left(\frac{y}{b_0}\right)}{dt^4}+a_3\frac{d^3\left(\frac{y}{b_0}\right)}{dt^3}+a_2\frac{d^2\left(\frac{y}{b_0}\right)}{dt^2}+a_1\frac{d\left(\frac{y}{b_0}\right)}{dt}+a_0\left(\frac{y}{b_0}\right)=x(t)}

Wir führen die 4 Zustandsgrößen

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle x_1=\left(\frac{y}{b_0}\right)}

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Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle x_3=\dot x_2=\frac {d^2\left(\frac{y}{b_0}\right)}{dt^2}}

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle x_4=\dot x_3=\frac {d^3\left(\frac{y}{b_0}\right)}{dt^3}}

ein. Damit kann die Differenzialgleichung 4. Ordnung in ein System von 4 Differenzialgleichungen 1. Ordnung

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \dot x_1=x_2,\dot x_2=x_3,\dot x_3=x_4}

und

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \dot x_4=-a_0x_1-a_1x_2-a_2x_3-a_3x_4+x}

mit der Ausgangsgleichung

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle y=b_0x_1\,}

überführt werden. Wir brauchen also eine Reihenschaltung von 4 Integratoren im Vorwärtspfad des Signalflussgrafen. Die Multiplikation mit den Koeffizienten Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle a_i, i=0...3\,} erfolgt in den zum Summations-Knoten führenden Rückwärtspfaden.

Aus der Übertragungsfunktion

Datei:SFG Transfer4.png

Übertragungsfunktion 4. Ordnung

Gegeben sei die Übertragungsfunktion

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle G(s)=\frac{b_3s^3+b_2s^2+b_1s+b_0}{s^4+a_3s^3+a_2s^2+a_1s+a_0}} .

Nach Multiplikation von Zähler und Nenner mit Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle s^{-4}\,} hat die Übertragungsfunktion eine Form aus der sofort die benötigten Integratoren ersichtlich sind.

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle G(s)=\frac{b_3s^{-1}+b_2s^{-2}+b_1s^{-3}+b_0s^{-4}}{1+a_3s^{-1}+a_2s^{-2}+a_1s^{-3}+a_0s^{-4}}}

Im Zähler stehen die Faktoren des Vorwärtspfades und im Nenner die des Rückwärtspfades. Damit kann der Signalflussgraph direkt gezeichnet werden.

Aus dem Signalflussplan

Datei:SFG transferplan.png

Signalflussplan einer Übertragungsfunktion 4. Ordnung

Durch Vertauschung von Knoten und Kanten erhält man aus dem Signalflussgraphen den Signalflussplan und umgekehrt.

Modifikationen von Signalflussgraphen

In gleicher Weise, wie lineare Gleichungssysteme umgeformt werden können, kann auch der dazugehörige Signalflussgraph umgeformt werden. Im Folgenden werden einige Regeln erläutert.

Parallele Kanten zusammenfassen

Unterschiedliche Kanten mit der gleichen Quelle und der gleichen Senke können zu einer Kante zusammengefasst werden. Es wird also das Distributivgesetz angewandt:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle x_1*a+x_1*b=x_1*(a+b)} .

Dazu müssen im Signalflussgraphen die Vektoren der zusammengefassten Kanten addiert werden.

Kanten mit gleichem Quell- und gleichem Zielpunkt können zusammengefasst werden.

Sequentielle Kanten zusammenfassen

Werden drei Punkte Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle a} , Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle b} und Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle c} ausschließlich durch zwei Kanten derart verbunden, so dass gilt Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle a\rightarrow b\rightarrow c} , dann kann der mittlere Knoten Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle b} aus der Darstellung herausgenommen werden. Es wird also das Assoziativgesetz angewandt:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle (x_1*a)*b=x_1*(a*b)} .